Исследование устойчивости трубных заготовок с относительно толстой стенкой, обжимаемых матрицами с углом конуса 50° Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.983.7 в. д. КОНОВАЛОВ

С. И. БЕЛОВ

Омский государственный технический университет, г. Омск

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК С ОТНОСИТЕЛЬНО ТОЛСТОЙ СТЕНКОЙ, ОБЖИМАЕМЫХ МАТРИЦАМИ С УГЛОМ КОНУСА 50°

Проведены экспериментальные исследования по установлению влияния х а р а ктеристик инструмента и размеров заготовок на устойчивость цилиндрического необжимаемого участка, обжатых в конических м а трицах толстостенных з аготовок. Полученные количественные оценки представлены графиками, позволяющими предсказать бездефектное осуществление деформирования при проектировании технологических процессов изготовления штампованных полых изделий с переменным профилем продольного контура.

Ключевые слова: обжим, коническая матрица, толстостенная труба, устойчивость.

Получение годных изделий при обжиме в конических матрицах полых цилиндрических заготовок ограничено рядом дефектов, возникающих при деформировании. Они выявлены и описаны, например, в работах [1—3]. Основные дефекты представляют собой потерю устойчивости различными участками обжимаемой заготовки, а именно:

— появление продольных складок в обжимаемом конце (рис. 1а);

— образование поперечных кольцевых выпучиваний в необжимаемой цилиндрической зоне (рис. 1б).

Первый вид не зависит от конструкции инструмента, а второго можно избежать, осуществляя обжим в матрицах с приемной цилиндрической частью — контейнером (рис. 2). Такую схему обжима принято называть «закрытой», а без контейнера — «открытой» [4].

Обе указанные формы потери устойчивости присущи деформированию тонкостенных заготовок. Для обжима толстостенных характерно проявление дефектов только складкообразованием в необжима-емой зоне. Какие они могут иметь формы, показано в работе [4].

В то же время, как указывают исследователи [5], использование матрицы с контейнером, т.е. обжим по «закрытой» схеме, практически исключает возможность потери устойчивости.

Однако применение контейнера не всегда оправдано как с точки зрения конструктивных возможностей, так и с позиций экономической целесообразности.

Во-первых, закрытая высота пресса и штампа не всегда позволяет вписать контейнер требуемого размера; во-вторых, применение контейнера влечет увеличение потребного усилия; в-третьих, наружный диаметр заготовок жестко ограничивается фиксированным диаметром отверстия в контейнере; в-четвертых, штамп с контейнером получается более сложным, что влечет его удорожание. Последние два

Рис. 1. Формы потери устойчивости при обжиме: а — продольные складки в обжатой части; б — поперечные кольцевые выпучивания в необжимаемой зоне

а

б

Рис. 2. Схема обжима в матрице с контейнером: 1 — пуансон; 2 — матрица; 3 — контейнер; 4 — заготовка

довода вызывают очевидные сомнения в выгодности штамповки в таком инструменте изделий малыми партиями.

Нельзя не принять во внимание, что «открытый» обжим может быть технологически осуществим применительно к определенным размерам заготовок и инструмента.

На этом основании следует определить такую область параметров, где деформирование по «открытой» схеме гарантированно будет протекать без потери устойчивости необжимаемым участком.

Такая попытка предпринята в предлагаемой работе экспериментальным путем. Здесь в качестве функционального параметра принято предельное отношение исходных высоты (Нпр) и диаметра А0) заготовки, при котором не нарушается устойчивость.

Опытное деформирование выполнялось на заготовках из стали 20, марка которой подтверждена проверкой на спектрометре модели ДФС-71 соответ-

ствия химического состава образца, вырезанного из той же горячекатаной трубы, что использована для изготовления заготовок, показателям ГОСТ 10502013.

Заранее определились, что все экспериментальные образцы по состоянию микроструктуры будут представлены двумя партиями. К одной отнесены подвергнутые отжигу (температура 920°, время выдержки 60 минут, охлаждение с печью), а другую партию представляли предварительно упрочненные (нагартованные) путем редуцирования в холодном состоянии исходной бесшовной трубы 042 1 мм и толщиной стенки 7±0,1 мм на 038±0,05 мм и толщину 7,4±0,05 мм. При степени деформации, составившей в среднем 7,5 %, принятое в качестве показателя упрочнения временное сопротивление разрыву ав, согласно [6], повышается практически на 15 % .

Прежде чем произвести редуцирование трубу разделили на отрезки длиной 70 +0,5мм, у которых подготовили поверхность к холодному деформированию нанесением цинко-фосфатного слоя.

Широко распространенная для холодной штамповки химическая технология — фосфатирование позволяет обеспечить надежную пленку, противостоящую контакту деформируемого металла и матрицы.

Неоднократно выполняя обжим в конических матрицах стальных заготовок, один из авторов на личном опыте убедился в высокой надежности фосфатного покрытия. Этот же опыт позволил несколько изменить рекомендации по «схеме технологии подготовки поверхности стальных заготовок»

Таблица 1

Размеры и состояние исходных образцов, коэффициент обжима

Номер образца Состояние Высота, мм / А, Коэффициент обжима

601 упрочнен 76 0,10 1,25

602 упрочнен 76 0,10 1,30

603 упрочнен 60 0,10 1,30

604 упрочнен 60 0,10 1,40

605 упрочнен 50 0,10 1,40

606 упрочнен 40 0,10 1,40

607 упрочнен 76 0,12 1,25

608 упрочнен 76 0,12 1,30

609 упрочнен 76 0,12 1,40

610 упрочнен 60 0,12 1,30

611 упрочнен 60 0,12 1,40

612 упрочнен 50 0,12 1,40

613 отожжен 76 0,12 1,25

614 отожжен 60 0,12 1,25

615 отожжен 50 0,12 1,25

616 отожжен 60 0,12 1,30

617 отожжен 50 0,12 1,30

619 отожжен 60 0,10 1,25

620 отожжен 50 0,10 1,25

621 отожжен 50 0,10 1,30

622 отожжен 40 0,10 1,30

623 отожжен 40 0,10 1,40

624 отожжен 35 0,10 1,40

[7, с. 133], подстроив их к имеющимся в лаборатории условиям.

Во-первых, это касается подготовки и применения раствора для химического обезжиривания: заранее зная, что величина обрабатываемой партии заготовок будет составлять всего несколько десятков единиц (от 50 до 100), состав раствора готовили, исходя из меньшей концентрации компонентов, а время выдержки в растворе заготовок, наоборот, увеличили до 20 — 30 минут.

Во-вторых, для травления использовали отработанный электролит из автомобильного аккумулятора плотностью 1,10—1,12, согласно показаниям кислотного ареометра. При этом обозначенную в рецептуре присадку марки 4М не использовали за неимением, раствор не подогревали, но время выдержки в нем заготовки соответствовало верхней границе рекомендованного интервала.

В-третьих, по ряду причин, не имея возможности обеспечивать рекомендуемую температуру цинко-фосфатного раствора в период обработки образцов, и не будучи лимитированы временем выполнения этой операции, фосфатирование проводили в растворе с комнатной температурой в течение, как правило, 8—12 часов.

Получаемый слой покрытия выдерживал без каких-либо признаков его нарушения двукратное деформирование — сначала при редуцировании, а затем уже непосредственно в процессе обжима.

После редуцирования заготовки, удлинившиеся до 76 — 76, 1 мм, расточили по внутреннему диаметру, обеспечивая заранее принятые толщины стенок: у одной половины партии — 3,8 мм, у другой — 4,6 мм.

Далее половину от всего количества подвергли термической обработке и зафосфатировали, после чего со всех заготовок сняли окончательные размеры.

Измерения выполнены при помощи электронного штангенциркуля (выпущен и поверен «HARDENED» в 2015 г.), имеющего цену деления 0,01 мм.

Формоизменяющим инструментом были матрицы с углом конуса 50° и диаметрами выходного (калибрующего) отверстия, соответствующими коэффициентам обжима (Коб) 1,25; 1,30; 1,40.

Выбор угла предопределен более ранними экспериментами, которые показали, что в таком конусе матриц заготовки, обжимаемые с Коб = 1,30 и Коб = = 1,40, теряли устойчивость при Hnp/D0 = 2.

Сведения о размерах образцов до деформирования, их состоянии, годности или браке в результате штамповки, а также параметрах матриц, в которых соответствующие заготовки были подвергнуты обжиму, показаны в табл. 1.

По мере готовности образцов выполнили их обжим, следуя порядку: если деформирование при текущей длине заготовки заканчивалось потерей устойчивости, то у следующей для обжима в той же матрице длина уменьшалась на 5—15 мм, что производилось до тех пор, пока не получался положительный результат. Отправной точкой начальной длины заготовки для обжима в матрице с большим Коб принимали максимальную длину, при которой образец не потерял устойчивость в матрице с предыдущим (меньшим) Коб. В итоге годными оказались образцы под номерами 601, 603, 605, 606, 607, 610, 611, 612, 614, 615, 617, 620, 622, 624.

Обработка полученных результатов экспериментальных исследований позволила предложить их интерпретацию в виде графиков зависимости Hn /D0

2,0 1,5

5

^ 1,0

tk So/Do=0,12

/

/ ^ / ----Е]

So/Do =0,10 / -----.

1,25 1,30 1,35 1,40 Коб.

Рис. 3. Графики зависимости предельного отношения исходных высоты (Нпр) и диаметра для отожженных образцов

2,0

1,5

t \ ч So /Do = 0,12 \

\ \ \--

ч So/Do = 0,10

1,25

1,30

Коб.

1,35

1,40

Рис. 4. Графики зависимости предельного отношения исходных высоты (Нпр ) и диаметра (^0) для нагартованных образцов

от Коб и 50/Л0 (рис. 3, 4). По характеру распределения контрольных точек в принятых координатах предлагаются ориентировочные кривые, которые в пределах графиков сверху ограничивают зону параметров заготовок и инструмента, отвечающую деформированию обжимом по «открытой» схеме, в пределах которой гарантированно не произойдет потери устойчивости необжимаемой части заготовки.

По итогам выполненной исследовательской работы можно сделать следующие заключения о том, что в пределах принятых параметров деформирующего инструмента (матриц) и заготовок установлено:

1. Предварительно нагартованные заготовки в меньшей степени подвержены потере устойчивости.

2. С увеличением коэффициента обжима устойчивость снижается как для нагартованных, так и для отожженных образцов.

3. Увеличение исходной толщины стенки повышает устойчивость при обжиме.

4. Анализ окончательных размеров годных образцов показывает, что при коэффициентах обжима более 1,25 изделия с конусным переходом в 50° не могут иметь сколько-нибудь значительную длину обжатого цилиндрического хвостовика, если предусматривать необжатый участок, либо, обеспечивая необходимую длину обжатого цилиндрического участка, вынуждены ограничиваться малой (пропорционально исходному диаметру) длиной необжатой части заготовки.

Предлагаемые графики и выводы могут служить в качестве рекомендательного материала, дополняющего сведения о технологических возможностях обжима толстостенных трубных заготовок в конических матрицах. Их практическое применение имеет востребованность при технологической подго-

о

го >

товке штамповочного производства полых ступенчатых изделий и полуфабрикатов с переходом конической формы в 50° между цилиндрическими участками либо представляющих собой сочетание цилиндрической и конической частей.

Библиографический список

1. Аверкиев Ю. А. Определение наибольшей степени деформации при обжиме пустотелых цилиндрических заготовок в конической матрице // Кузнечно-штамповочное производство. 1966. № 11. С. 19-22.

2. Агеев Н. П., Кривицкий А. Г. Анализ устойчивости тонкостенных заготовок при обжиме в конической матрице // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 1980. № 1. С. 96-100.

3. Мосин Ф. В. Технология изготовления деталей из труб. М.-Л.: Машгиз, 1962. 172 с.

4. Коновалов В. А., Нельднер В. И., Устинов Д. А. Влияние параметров инструмента на формоизменение трубной заго-

товки с относительно толстой стенкой при холодном обжиме конической матрицей // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. 2012. № 2 (110). С. 86 — 89.

5. Haarsheidt, K. Das Verjungen von Hohlkörpern // Blech Rohre Profile. 1982. 29. № 2. S. 63-67.

6. Третьяков А. В., Зюзин В. И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1973. 224 с.

7. Холодная объемная штамповка: справочник / Под ред. Г. А. Навроцкого [и др.]. М.: Машиностроение, 1973. 495 с.

КОНОВАЛОВ Валерий Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроения и материаловедения.

БЕЛОВ Сергей Игоревич, магистрант гр. Мм-151 факультета элитного образования и магистратуры. Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 27.12.2016 г. © В. А. Коновалов, С. И. Белов

УДК 62144 Ю. П. МАКУШЕВ

Л. Ю. ВОЛКОВА

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,

г. Омск

Калининградский государственный технический университет, г. Калининград

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ФОРСУНОК ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПО ОБЪЕМУ СЛИВАЕМОГО ТОПЛИВА ИЗ ДРЕНАЖНОЙ МАГИСТРАЛИ_

Предложена методика, позволяющая по величине утечек топлива из форсунок с гидромеханическим управлением определять зазор между иглой и корпусом распылителя. Для топливной аппаратуры с электрогидравлическим управлением и г лы форсунок выполнен расчет топлива, сливаемого через клапан, определены утечки топлива в зависимости от давления в аккумуляторе, величины з азора в распылителе и в п аре «управляющий поршень — направляющая». Приведен контроль технического состояния клапанов управления по величине объема сливаемого топлива из штуцера форсунки. Ключевые слова: форсунка, диагностирование, утечки, зазор, клапан управления.

1. Топливные системы с гидромеханическим управлением хода иглы распылителя форсунки.

Эффективность работы дизеля в основном зависит § от форсунок, техническое состояние которых можно определить по анализу объема топлива, сливаемого из дренажной магистрали, по изменению давления в трубопроводе высокого давления и перемещению иглы распылителя.

В процессе работы дизеля часть топлива под действием перепада давления вытекает из камеры распылителя форсунки через зазор между иглой и направляющей. При зазорах в распылителях форсунок более 10 мкм утечки способствуют уменьшению подачи топлива, снижая мощность дизеля.

По величине утечек топлива (диагностический параметр) в эксплуатации можно определить зазор в распылителе и износ направляющей. Для этой цели экспериментальным путем определяют утечки топлива в зависимости от известной величины зазора распылителя. По величине утечек топлива в эксплуатации определяют зазор в распылителе и делается заключение (анализ) о целесообразности его дальнейшей работы.

Для тепловозных и судовых дизелей с высоким остаточным давлением предельный износ распылителей (диаметральный зазор) составляет 6-8 мкм (при уменьшении гидравлической плотности с 20 до 2 с) [1].